Halorhodopsin

Halorhodopsin besteht aus sieben Transmembrandomänen, die eine Pore bilden. Als Chromophor dient all-trans-Retinal, das über eine protonierte Schiff-Base kovalent an einen Lysinrest gebunden ist. Im Kristall liegt das Protein als Trimer vor. Direkt neben der Schiff-Base befindet sich die Bindungsstelle für ein einzelnes Chlorid-Ion, das dort durch Ion-Ion- und Ion-Dipol-Wechselwirkungen stabilisiert wird.^[1]

Halorhodopsin teilt diesen strukturellen Bauplan mit den übrigen mikrobiellen Rhodopsinen. Unterschiede in wenigen Aminosäuren bestimmen, welches Ion transportiert wird. Halorhodopsin ist kein Ionenkanal, sondern eine Pumpe. Pro absorbiertem Photon wird genau ein Chlorid-Ion transportiert, und zwar auch gegen einen elektrochemischen Gradienten.

Die Absorption eines Photons isomerisiert das Retinal von der all-trans- in die 13-cis-Konformation. Dadurch wird ein zyklischer Ablauf von Konformationsänderungen ausgelöst, der sogenannte Photozyklus. Dieser verläuft in mehreren spektroskopisch unterscheidbaren Zwischenzuständen und dauert einige Millisekunden.

Das Chlorid-Ion wird dabei über die protonierte Schiff-Base von der extrazellulären auf die zytoplasmatische Seite verlagert.^[2] Der Chlorideinstrom hyperpolarisiert die Zellmembran und senkt damit die Erregbarkeit der Zelle.

Halorhodopsine wurden Ende der 1970er-Jahre in halophilen Archaeen entdeckt. Ihre Funktion als lichtgetriebene Chloridpumpe wurde 1982 nachgewiesen.^[3] Sie kommen bei zahlreichen Haloarchaeen vor, unter anderem bei Halobacterium salinarum und Natronomonas pharaonis. Inzwischen sind chloridtransportierende Rhodopsine auch bei Flavobakterien und Cyanobakterien bekannt.^[4]

In den Ursprungsorganismen dient Halorhodopsin dem Ionenhaushalt. Der lichtabhängige Chlorideinstrom gleicht den osmotischen Druck aus, wenn die Zelle wächst, und erhält zugleich das Membranpotenzial.

Halorhodopsin aus Natronomonas pharaonis (NpHR) ist das am besten untersuchte Homolog. Es lässt sich einfach exprimieren und reinigen und wurde deshalb als erster genetisch kodierter Hemmstoff in die Optogenetik eingeführt.^[4] 2007 zeigten zwei Arbeitsgruppen unabhängig voneinander, dass sich Neuronen durch Expression von NpHR mit gelbem Licht hemmen lassen.^[5][6]

Da NpHR sein Absorptionsmaximum bei etwa 590 nm hat, Channelrhodopsin-2 dagegen bei etwa 470 nm, lassen sich beide Werkzeuge in derselben Zelle kombinieren. Dieselbe Neuronenpopulation kann dadurch mit blauem Licht erregt und mit gelbem Licht gehemmt werden.

Das ursprüngliche NpHR neigte zur Aggregation im endoplasmatischen Retikulum. Durch angefügte Signalsequenzen für den Transport zur Zellmembran entstanden die verbesserten Varianten eNpHR2.0 und eNpHR3.0 mit deutlich höheren Photoströmen.^[7]

Halorhodopsin wird bislang (2026) ausschließlich experimentell verwendet. Eine Anwendung am Menschen besteht nicht. In der Neurowissenschaft dient es dazu, die Funktion einzelner Neuronenpopulationen aufzuklären, indem diese reversibel stillgelegt werden. Untersucht wurden auf diese Weise unter anderem Modelle der Epilepsie, der Parkinson-Krankheit und chronischer Schmerzsyndrome.

In der Ophthalmologie wurde Halorhodopsin tierexperimentell zur Wiederherstellung des Sehvermögens eingesetzt. Bei der Retinitis pigmentosa verlieren die Zapfen ihre Außensegmente, bleiben zunächst aber als Zellkörper erhalten. Die Expression von Halorhodopsin in diesen verbliebenen Zapfen stellte im Mausmodell Lichtantworten der Netzhaut, des visuellen Kortex und visuell gesteuertes Verhalten wieder her.^[8]